A Review of Real Time Digital Simulations: Theory and Applications For The Energy Transition

IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 20, NO.
10, OCTOBER 2022 2295
A Review of Real Time Digital Simulations: Theory

and Applications for the Energy Transition
Luis F. Gaitán-Cubides, Student Member, IEEE, Jorge W. González-Sánchez, Senior Member, IEEE and
Luis A. Giraldo-Velásquez, Senior Member, IEEE
Abstract— The arrival of the energy transition to the global Así pues, con la idea de realizar un aporte divulgativo en
electricity scene has led to the implementation of new technologies idioma castellano, este trabajo presenta en la Sección II un
in power systems and modified the way that the energy is generated, resumen con la clasificación, métodos de solución, capacidad
distributed and consumed. The analysis of the operation and the de simulación y muestreo de las DRTS. En la Sección III se
consequences of the inclusion of new technologies become a very
important topic in the studies carried out by the utilities. Real-Time
expone la metodología para la búsqueda de los trabajos de
Digital Simulators (RTDS) have become a powerful modeling tool aplicación de esta tecnología en los temas afines a la transición
that allow to analyze power system models with a high level of energética añadiendo nuevos ítems a la clasificación realizada
fidelity, permitting to anticipate problems and the assessment of por [8]. Por último, en la sección IV y V se presenta el análisis,
solution strategies. Due to the increase in the use of this technology discusión, nuevas perspectivas y conclusiones sobre la revisión
and considering that there are no review articles on RTDS realizada.
applications written in Spanish, this paper presents an explanation
of the characteristics of RTDS along with an updated state of the art II.SIMULACIÓN DIGITAL EN TIEMPO REAL
related to applications in Energy Transition as a theoretical Debido a la evolución de la potencia informática de los
framework with a large amount of information collected for future DRTS en los últimos años, actualmente se está en la capacidad
researches in Latin America.
de abordar nuevas clases de aplicaciones y campos de práctica
Index Terms— Digital Real Time Simulation, Power Hardware- ampliados con la simulación de tiempo real (RT). Este aumento
in-the loop, Energy Transition. en el poder de cómputo implica que los modelos se pueden
I.INTRODUCCIÓN construir con mayor precisión y el sistema de simulación se
E l cambio de paradigma de los sistemas de potencia impone acerca a la realidad [8].

desafíos emergentes para el diseño, planificación y La Fig. 1 a) ejemplifica una simulación “offline acelerada”
operación del sistema eléctrico [1]. La transición energética ha donde el tiempo de cálculo es más corto que un paso de tiempo
motivado a investigadores y miembros de la industria a fijo determinado. Así mismo, la Fig. 1 b) muestra otro tipo de
implementar nuevas tecnologías en los sistemas de potencia y simulación “offline”, donde el tiempo de cálculo es más largo.
este cambio también se ha reflejado en los métodos de En ambos casos, el momento donde un resultado determinado,
modelado y simulación utilizados para el análisis de los esté disponible es irrelevante.
sistemas de potencia [2].
En el área de la ingeniería eléctrica, la simulación de un
sistema de potencia es una técnica computacional y numérica
que permite describir tanto el comportamiento dinámico como
el comportamiento en estado estable del modelo de una red
eléctrica [3]. La simulación digital en tiempo real (DRTS por
sus siglas en inglés), es la reproducción de las formas de onda
tanto de voltaje como de corriente, con alta precisión, que
representan el comportamiento real de un sistema de potencia
en un tiempo de simulación igual al tiempo en el que ocurriría
el fenómeno simulado en la vida real [4][5]. De esta manera, la
DRTS es un método de simulación altamente confiable que se
basa principalmente en la simulación transitoria
electromagnética de sistemas complejos que comprenden
muchos dominios, donde en los últimos años este tipo de
tecnología de simulación ha experimentado un fuerte
crecimiento para hacer que estos simuladores sean aplicados en Fig. 1. Requisitos de simulación en tiempo real y otras técnicas de simulación.
Adaptado de [5].
todos los sectores [6] [7].
De igual manera, tanto la Fig. 1 a) como la Fig. 1 b), muestran
L. F. Gaitán-Cubides. Ingeniería Especializada IEB S.A. Universidad
Pontificia Bolivariana, Medellín, Colombia, e-mail: luis.f.g@ieee.org
como durante una simulación “offline” en tiempo discreto, la
J. W. González-Sánchez. Universidad Pontificia Bolivariana. Medellín, cantidad de tiempo real requerida para calcular todas las
Colombia, e-mail: jorgew.gonzalez@upb.edu.co ecuaciones y funciones que representan un sistema durante un
L. A. Giraldo-Velásquez. Ingeniería Especializada IEB S.A. Medellín,
Colombia, e-mail: luis.giraldo@ieb.co
paso de tiempo determinado puede ser más corta o más larga
2296 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 20, NO. 10, OCTOBER 2022
que la duración del paso de tiempo de la simulación [5]. mismo autor menciona que los sistemas SIL tienen menores
Normalmente, cuando se realiza una simulación “offline”, el tiempos de simulación que los sistemas HIL, debido a que la
objetivo es obtener resultados lo más rápido posible y la simulación SIL no presenta conexiones físicas con otros
velocidad de resolución del sistema depende de la potencia de dispositivos, lo que puede representar una ventaja ya que
cálculo disponible y de la complejidad del modelo matemático permite realizar una mayor cantidad de cálculos en un menor
del sistema. tiempo. Los desafíos para la simulación en HIL de micro-redes
La Fig. 1 c) muestra que una simulación en tiempo real es son similares a los desafíos que presentan los sistemas de
válida cuando el simulador reproduce con precisión las distribución y los sistemas de inercia finita, estos últimos
variables internas y las salidas de la simulación dentro del representados por los Sistemas de Energía Integrados a Bordo,
denominados IPS, (sistemas de movilidad marítima). Estos
mismo período de tiempo en el que lo harían los elementos del
incluyen tanto longitudes de cable cortas, gran número de
sistema de su contraparte física [5]. Para lograr tal objetivo, un
dispositivos electrónicos de potencia como falta de flexibilidad
DRTS necesita resolver las ecuaciones del modelo para un paso
y escalabilidad [12]. Los sistemas HIL se dividen también en
de tiempo determinado dentro del mismo tiempo del reloj del dos grupos, de acuerdo con los equipos con los que se conectan.
hardware que lo procesa [9]. El uso de herramientas de
simulación en tiempo real se ha extendido y ha experimentado Sistemas CHIL – Control Hardware-in-the loop (CHIL).
un fuerte crecimiento [6]. Cuando se realiza esta clase de El término CHIL define a un sistema HIL que incluye en la
simulación, es necesario poder validar los resultados, ya sea por simulación un sistema de control real que interactúa con el
comparaciones de modelos teóricos exactos o por modelos sistema modelado, sin que se genere intercambio de señales de
implementados de manera real, de modo que los datos potencia [6]. Un uso común de este método es el diseño de
obtenidos sean los esperados y puedan ser predecibles [3]. prototipos de controladores, ya que el controlador toma las
A. Clasificación señales generadas por el simulador y las procesa para generar
las señales de control que luego van de nuevo a la simulación
La clasificación de los DRTS obedece a si existe una [9].
comunicación con elementos externos al dispositivo. Si el
DRTS no tiene conexión con ningún tipo de elemento externo, Sistemas PHIL – Power Hardware-in-the loop (PHIL).
este se denomina como un Sistema Totalmente Simulado Este término hace referencia a un sistema HIL que implica
Digitalmente, por otra parte, si hay conexión con otros transferencia de señales de potencia desde o hacia el HuT. En
dispositivos, se denomina un sistema Hardware-in-the loop una simulación PHIL, las señales son generadas desde la
(HIL). interfaz que contiene el modelo y son enviadas hacia un sistema
Sistemas Totalmente Simulados Digitalmente de amplificación que adecúa la señal que llegará al dispositivo
En esta clasificación, además de los diferentes componentes de interés (fuente o carga), el dispositivo exterior actúa en
de la red bajo estudio, todos los modelos de control, protección función de la señal y devuelve la respuesta a la simulación,
y demás sistemas están enteramente simulados y no tienen cerrando el lazo [6] [9] [13].
comunicación con el exterior, pero sí permite comunicación Mediante la generación y recepción de señales y la
bidireccional entre diferentes softwares y la simulación puede interacción con los dispositivos que se desean evaluar/analizar
ser más lenta o más rápida que en tiempo real [10]. Este tipo de con el modelo, es posible el uso conjunto tanto de las DRTS
simulación requiere plataformas con librerías muy detalladas, como del hardware especializado, con la finalidad de que no sea
donde se encuentren modelados todos los componentes que son necesario tener la planta física real para poder evaluar la
de interés para los estudios a realizar. Se debe tener en cuenta operación del hardware [14] [15].
que muchos de estos modelos, algunas veces, no son tan Ejemplos de aplicación del PHIL podrían ser la prueba en
minuciosos en sus componentes y usan simplificaciones que tiempo real de máquinas, convertidores, limitadores de
pueden afectar la exactitud que se busca en la simulación [6] corriente de falla o cualquier otro dispositivo eléctrico. Por otra
[8]. Ejemplos y otras denominaciones para esta clasificación parte, la prueba de dispositivos de protección, como relés,
son Model-In-The-Loop (MIL), Processor- In-The-Loop (PIL) puede requerir amplificadores de voltaje o corriente para
ó el más común que es Software-In-The-Loop (SIL) [9]. pruebas basadas en HIL; sin embargo, el uso del amplificador
es principalmente para que el dispositivo detecte el voltaje real
Sistemas Hardware-in-the loop (HIL) y/o las señales de corriente [9]. En la Fig. 2 se observa la
Esta simulación utiliza diferentes unidades de hardware interacción entre dispositivos tanto en una simulación CHIL y
interconectadas con el fin de realizar simulación en paralelo de como en una PHIL.
distintas divisiones de un mismo modelo [11]. Se establece una Dentro del campo de las simulaciones PHIL-RT, en [16] se
conexión física del hardware con componentes físicos reales, a menciona que las cuatro marcas principales de simuladores
los que se les suele denominar como Hardware Under Test usadas para investigaciones y desarrollos en el campo de las
(HuT) [9]. Estos sistemas requieren, por lo tanto, de la adecuada DRTS son: OPAL-RT, RTDS, VTB, Hypersim. Por otra parte,
interfaz de comunicación con estos dispositivos, presentando [9] menciona otras marcas para el desarrollo de DRTS como lo
una ventaja principal respecto a los Sistemas Totalmente son: dSPACE, xPC Target, rtX, y Thypoon, este último de
Simulados Digitalmente y es que, permiten utilizar modelos amplio reconocimiento en simulaciones CHIL.
reales, evitando realizar simplificaciones al modelo [6]. Este
GAITÁN-CUBIDES et al.: A REVIEW OF REAL TIME DIGITAL SIMULATIONS: THEORY AND APPLICATIONS 2297
modificado de integración de Euler y los métodos de matriz

dispersa para factorizar y resolver ecuaciones nodales de red
[23]. La simulación fasorial se utiliza principalmente para
investigar las oscilaciones electromecánicas de los sistemas de
potencia [24]. De igual manera, estudios recientes demuestran
la capacidad de integrar este método de solución en
simulaciones PHIL para desarrollar simulaciones Phasor
Fig. 2. Concepto básico de simulación HIL para CHIL (arriba) y PHIL (abajo).
Power Hardware-in-the loop (PPHIL) [25]. En [23] se
Adaptado de [9]. identificaron los desafíos al momento de implementar este tipo
de solución: Patrón de datos fusionados, Patrón de memoria
B. Métodos De Solución
contigua y Pre-cálculos.
Los DRTS disponibles en el mercado emplean distintos En el caso del patrón de datos fusionados se debe tener un
métodos para la resolución de sus respectivos modelos espacio para guardar sólo las variables y parámetros que son
matemáticos. Estos métodos son conocidos comúnmente como estrictamente necesarios durante el tiempo de ejecución,
solvers y existen tres tipos: Electromagnetic Transients (EMT), minimizando la cantidad de accesos a la memoria.
Solución Fasorial y el Híbrido. Por otra parte, en el patrón de memoria contigua se debe tener
Electromagnetic Transients (EMT) especial atención en el almacenamiento de algunos resultados
que genera la simulación y que posteriormente deben ser usados
El método más ampliamente utilizado en este tipo, consiste
para actualizar el cálculo. Por ejemplo, el orden de las
en discretizar ondas continuas mediante la regla trapezoidal,
actualizaciones de los componentes que tienen variables de
con lo que se obtiene modelar toda la red con elementos
estado es importante en la simulación de estabilidad transitoria.
algebraicos. De esta manera, sólo se requiere para resolver el
Por último, los pre-cálculos se refieren a aquellos escenarios
sistema en un momento determinado 𝑥(𝑡), el estado de las
de simulación donde se presenten eventos que causan cambios
variables en ese instante y ciertos estados anteriores a 𝑥, de
en la topología del sistema, los cuales se pre-calculan y se
manera que la red queda modelada como un conjunto de
almacenan antes de comenzar la simulación en tiempo real.
conductancias y fuentes de corriente [6].
El método de la regla trapezoidal, se puede usar en un
algoritmo generalizado capaz de resolver transitorios en
cualquier red con parámetros distribuidos y agrupados. En [17]
señalan que en el aspecto estrictamente numérico, esto conduce
a la solución de un sistema de ecuaciones lineales (nodales) en
cada paso de tiempo a través de un método eficiente y capaz de
manejar simulaciones de redes grandes. Este método se
convirtió en una estrategia pionera en el campo del modelado
digital de sistemas de potencia y permitió el surgimiento de
diferentes técnicas para el modelado de componentes de la red Fig. 3. (a) Relación entre el número de nodos y el tiempo de muestreo y (b)
eléctrica, su funcionamiento y fenómenos asociados [18] [19] recomendaciones de muestreo para el análisis de diferentes fenómenos
eléctricos. Adaptado de [9].
[20] [21]. Actualmente, es el método usado en simulaciones de
fenómenos de alta frecuencia (kHz – MHz), en los que se Por otra parte, los fasores dinámicos son conocidos como una
requieren pasos de simulación del orden de microsegundos [6]. herramienta analítica poderosa y eficiente utilizada en
De igual manera, en el ElectroMagnetic Transients Program simulaciones, que se basa en el concepto de coeficientes de
(EMTP), además del método de la regla trapezoidal se emplea Fourier variables en el tiempo [26]. Los fasores dinámicos se
también el modelamiento de las ecuaciones diferenciales de proponen como solución para resolver uno de los principales
cada componente, posteriormente se discretizan por separado y problemas de la simulación distribuida en tiempo real, el gran
luego el modelo general del sistema se obtiene mediante tiempo de envío y procesamiento de información entre los
análisis nodal [22]. Otras soluciones propuestas para la simuladores, que determina el paso de tiempo mínimo si los
simulación de sistemas HVDC y generación basada en dispositivos deben intercambiar datos para cada paso [27] [28].
inversores, son generalmente conocidas como técnicas de Híbrido
compensación de tiempo discreto e involucran algoritmos de
interpolación y sellado de tiempo (time-stamping)[5]. El método híbrido fue desarrollado por Heffernan en [29] y
[30] como una estrategia para encontrar una solución al
Solución Fasorial problema de la fidelidad de las simulaciones de enlaces de
Este método simula todo el sistema de potencia en el dominio HVDC, ya que la simulación Cuasi-Estática no era adecuada
de la frecuencia, por tanto la dinámica del modelo sólo para este tipo de modelamiento. Este método combinaba la
dependerá de las máquinas rotativas y sus sistemas de control eficiencia de la resolución fasorial y la precisión de la
[6]. OPAL RT desarrolló un método de solución fasorial de simulación EMT. En la Fig. 4, se observa cómo este método
enfoque particionado en combinación con el método permite interacción de estas estrategias por medio de la
conversión de datos, lo que permite el análisis de fenómenos de
alta frecuencia en modelos de grandes sistemas de potencia [6]. desafíos, ya que se debe mantener la sincronización y la validez
de los datos [6]. Por esta razón, este autor señala que, al
momento de realizar las simulaciones, es necesario identificar
el paso de simulación adecuado, ya que de realizar una elección
incorrecta se podría comprometer la fidelidad y validez de la
simulación. Por otra parte, los sistemas multi-rate se utilizan
para simular diferentes partes de un circuito, con diferentes
tasas de muestreo, con esto se permite reducir la carga
computacional de la simulación y estimar donde es necesario
Fig. 4. Flujo de comunicación en el modelo híbrido. Adaptado de [6].
una correcta decisión sobre los intervalos de tiempo a utilizar,
Estudios recientes muestran que este método ofrece buenos de acuerdo a los fenómenos que se quieren analizar [33]. La
resultados en simulaciones de sistemas AC/DC [31] [32]. En simulación multi-rate es necesaria para un sistema que contiene
[8] se menciona este método como una buena opción cuando: grandes y pequeñas restricciones en el tiempo de muestreo [34].
• Existe falta de recursos computacionales para la simulación
de un sistema eléctrico a gran escala. Se puede modelar los
elementos de electrónica de potencia del sistema con el
método EMT y el resto en el dominio fasorial
• La simulación de cortes o blackouts donde los fenómenos
de reconexión se pueden modelar mediante la combinación
de EMT y Estabilidad Transitoria (ET)
• Es necesario utilizar HIL con un sistema en modo fasorial.
C. Capacidad De Simulación Y Muestreo
En [9] señalan los dos criterios para determinar la capacidad
de un RTDS: la cantidad de nodos que puede tener el modelo y
el muestreo que es necesario para estudiar ciertos fenómenos.
En [5] se señala que la DRTS se basa en pasos de tiempo
discretos en los que el simulador resuelve las ecuaciones del
modelo de forma sucesiva. De esta manera, se debe determinar Fig. 5. Tiempos de simulación recomendados de acuerdo al fenómeno
cuál es el intervalo de tiempo adecuado para representar con simulado. Adaptado de [5].
precisión la respuesta de frecuencia del sistema hasta el La co-simulación es una técnica que permite dividir el
transitorio de interés más rápido. modelo de un sistema eléctrico de gran tamaño en múltiples
Los resultados de la simulación se pueden validar cuando el componentes que posteriormente se pueden resolver en paralelo
simulador no se excede entre el tiempo de simulación deseado en plataformas de simulación interconectadas [35][36]. Las
y el tiempo simulado. Para cada paso de tiempo, el simulador plataformas de co-simulación, permiten modelos más reales al
ejecuta la misma serie de tareas: facilitar, por ejemplo, el modelamiento de sistemas de potencia
1. Leer entradas y generar salidas y sus redes de comunicaciones de manera paralela [37].
2. Resolver ecuaciones modelo En [6] señalan estas dos estrategias como un tema de
3. Intercambiar resultados con otros nodos de simulación investigación activo. Los diferentes trabajos que abordan el
4. Esperar el inicio del siguiente paso. tema de co-simulación demuestran ser una estrategia adecuada
Cuando la simulación se desarrolla en un entorno donde el para analizar protecciones en Smart Grids [38], el desempeño
DRTS está conectado a un elemento externo, el estado o estados eléctrico y de comunicaciones en Smart Grids [37][39],
del sistema simulado se comunican a estos dispositivos modelamiento de compensadores estáticos de potencia reactiva
externos sólo una vez por paso de tiempo. El uso de múltiples (SVC) [40], estudios de control y protección en grandes
herramientas de simulación y diferentes duraciones de pasos de sistemas eléctricos [41] y en sistemas de distribución con
tiempo durante la simulación en tiempo real puede causar tecnologías tanto de almacenamiento como V2G [42], control
problemas. Así pues, los autores de [5] mencionan que para de voltaje en redes de distribución con PV [41] y análisis
escoger el hardware adecuado se deben analizar dos criterios. eléctrico y térmico de convertidores [43]. Por su parte, la
El primero es el tamaño del sistema de potencia a simular, que, simulación “multi-rate” se ha usado en simulaciones de
junto con la duración del paso de simulación, dicta la potencia convertidores en HVDC [34], simulación EMT en tiempo real
de procesamiento requerida. El segundo, es la frecuencia de los de grandes redes AC/DC [44][45] y análisis de entrada de
transitorios de mayor orden que se van a simular, lo que plantas de generación eólica en sistemas de potencia [46].
permitiría determinar el intervalo de tiempo mínimo requerido Además, en [28] se muestra el desarrollo de DRTS con
para obtener resultados exactos. En la Fig. 5 se observa las simuladores ubicados en zonas geográficamente alejadas,
recomendaciones de estos autores. demostrando la capacidad de comunicación de estos
Cuando se integran varias herramientas en el mismo entorno dispositivos y ofreciendo una nueva herramienta para la
de simulación, un método conocido como co-simulación, la investigación y el desarrollo entre centros de investigación en
transferencia de datos entre herramientas puede presentar
el mundo. Por otra parte, en [47] abordan las estrategias 7264 trabajos. Razón por la cual se debe refinar la búsqueda de
utilizadas para las DRTS de sistemas con electrónica de acuerdo al tipo de aplicación en específico de la simulación.
potencia donde el ancho de banda, la estabilidad del sistema, las C. Vigilancia Tecnológica
limitaciones de las interfaces de comunicación y energía son los
retos más grandes al momento de garantizar la fidelidad de la Se observó que la plataforma SCOPUS incluía una gran
cantidad de resultados que también arrojaba el IEEE Xplore. De
simulación.
esta manera se toman los resultados de SCOPUS como
III.REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
referencia para evidenciar el crecimiento del interés por la
Las primeras investigaciones sobre RTDS se remontan a publicación, tal como se expone en la Fig. 6, donde se muestra
principios de la década de 1990 con aplicaciones de pruebas a el crecimiento en el número de trabajos presentados por año
relés y en pruebas a sistemas de control [48] [49]. En [9] señalan desde el 2000 hasta el 2021, siendo este último, el año de mayor
las siguientes características en común en los DRTS: número de publicaciones con 575. De igual manera se evidencia
1. Múltiples procesadores que operan en paralelo para formar que China (1469) y Estados Unidos (1410) son los países con
la plataforma objetivo en la que se ejecuta la simulación en mayor cantidad de publicaciones, superando por un numero
tiempo real significativo las investigaciones provenientes de Canadá (635),
2. Utilizan una computadora host para preparar el modelo Alemania (493) e India (440).
fuera de línea para luego compilarlo y cargarlo en la D. Resultados de la Revisión
plataforma de destino. Las computadoras host también se
Actualmente, el campo de aplicación de este tipo de
utilizan para monitorear los resultados de la simulación
simulaciones abarca diferentes temáticas. En [8] se clasificaron
3. Terminales de I/O para interactuar con hardware externo
las aplicaciones de las simulaciones en tiempo real en sistemas
4. Una red de comunicación para intercambiar datos entre
de potencia, agrupándolas en cuatro grupos: Aplicaciones
múltiples plataformas objetivos cuando el modelo se divide
funcionales, Aplicaciones específicas en campo, Simulación de
en múltiples subsistemas.
alta fidelidad y Aplicaciones en múltiples fenómenos físicos.
Basados en lo expuesto por [50], para realizar la revisión
Cada uno de los temas que abarcan esta división fue
bibliográfica, se analizaron los siguientes tópicos:
considerada en la ecuación de búsqueda usada en las bases de
A. Bases de Datos datos consultadas. En la
Se seleccionaron los artículos publicados en tres bases de
datos, considerando artículos en idioma inglés y español. Las
bases seleccionadas son: IEEE Xplore Digital Library,
Scopus/Science Direct y SciELO. TABLA se agrupan estos tópicos junto con los trabajos
B. Selección de Palabras y Trabajos a Analizar afines a la transición energética que se obtuvieron en la revisión
bibliográfica anteriormente descrita.
Se realizó la búsqueda de trabajos a partir de las palabras
“REAL TIME SIMULATION”, ya que, si se utilizaba el término
“DIGITAL REAL TIME SIMULATION”, las bases de datos
excluían muchos trabajos debido a que los autores no incluían
el término “DIGITAL” en los metadatos de las publicaciones.
Por lo anterior se encontró un gran número de trabajos, fue
necesario refinar la búsqueda, identificando documentos afines
a ingeniería y energía, tal como se muestra en la TABLA .
TABLA I
TÉRMINO UTILIZADO PARA REALIZAR LA BÚSQUEDA Y
CANTIDAD DE TRABAJOS
Término usado Base de Datos Número de Trabajos
SCOPUS 906740
REAL TIME SIMULATION XPLORE 65374
SciELO 129
SCOPUS 27672
ALL ("REAL TIME
XPLORE 35930
SIMULATION")
SciELO 129
Áreas Temáticas SCOPUS 7264
(Engineering/Energy/Systems)
XPLORE 5026
Idioma (Inglés y Español)
Fig. 6. Número de artículos sobre Simulación en Tiempo Real por año (arriba)
Año (2000-2021) SciELO 68
y países con mayor cantidad de investigaciones (abajo). Fuente: SCOPUS.
Se observa una gran cantidad de trabajos encontrados en la

plataforma SCOPUS, donde el resultado de la búsqueda obtuvo
Análisis del comportamiento de Smart Grids

[37][107][108][109][110][111][112]
Interoperabilidad entre Smart Grids [113]
TABLA II Análisis de potencia reactiva en Smart Grids
CLASIFICACIÓN DE APLICACIONES DE DRTS EN TEMAS AFINES A usando el protocolo IEC 61850 [114]
LA TRANSICIÓN ENERGETICA Análisis y pruebas del desempeño de
2.1.4. Análisis de
1. Aplicaciones funcionales protecciones en Smart Grids [115]
sistemas de
Modelado de un interruptor para HVDC [51] Simulación híbrida en tiempo real que
distribución/
Modelamiento de fallas internas en combina el sistema físico integrado y el
aplicaciones de
generadores síncronos [52] simulador digital [116]
Smart Grids
Modelamiento de generadores eólicos [53] Análisis de la estrategia del MPPT [117]
1.1. Diseño y Modelamiento de trenes eléctricos [54] Co-simulación de sistemas de distribución de
modelado media y baja tensión [118]
Diseño de bancos de pruebas para validación
de protecciones eléctricas [55] [56] Análisis de la calidad de la energía en la
Modelamiento de sistemas de almacenamiento interconexión de una micro-red a un sistema de
de energía con baterías [57] distribución local [119] [120]
Control en redes con GD [121]
1.2. Creación rápida Prototipos de controles para motores [58] 2.1.4.1. Regulación de
Regulación de voltaje en redes de distribución
de prototipos Prototipado de controladores [59] [60] voltaje con
con generación eólica [122]
Pruebas a sistemas de control en redes de integración de
Simulación de sistema solar fotovoltaico como
distribución [42] generación
STATCOM (PV-STATCOM) [123]
Pruebas a sistemas de control HVDC [61][62] distribuida
Modelado, análisis, prueba e integración de
Pruebas a sistemas de control y protección [63] (DG)
sistemas PV en redes eléctricas [124]
[64] [65] [66] [67] Simulación del control de voltaje para la carga
1.3. Pruebas Pruebas a controladores digitales [68] de vehículos eléctricos (EV) [125]
Estudios de protecciones adaptativas [69] [70] Simulación de sistemas de carga de las baterías
Metodologías para pruebas end-to-end [71] en vehículos eléctricos [126][127]
Validación de subestaciones eléctricas 2.1.4.2. Carga de Simulación de los sistemas de propulsión de
digitales [72] vehículos Light Electric Vehicles [128]
1.4. Enseñanza y Aplicaciones de electrónica de potencia y eléctricos Diseño y simulación en tiempo real de un
capacitación sistemas de potencia [73][74] [75] [76] cargador de baterías para sistemas de
Co-Simulación entre DRTS ubicados en dos almacenamiento de energía PV [129]
1.5. Co-simulación
países diferentes [77] [78]. Estudios sobre vehículos eléctricos en redes de
geográficamente
Simulación eléctrica y térmica combinada con distribución [130]
distribuida dos DRTS en continentes diferentes [79].
2.1.4.3. Simulación PHIL Simulación y análisis de inversores para una
2. Aplicaciones específicas en campo del control de planta PV [131] [132] [133] [134]
Estabilidad transitoria en grandes sistemas de potencia Análisis del funcionamiento de distintos tipos
potencia [23] activa/reactiva de de conversores DC-DC mediante Hardware In
Simulación híbrida de sistema trifásicos [80] inversores PV The Loop [135]
Redes eléctricas con elementos basados en Banco de pruebas para analizar el impacto de
electrónica de potencia [81] 2.1.4.4. Análisis físico/ los eventos cibernéticos en las cargas críticas
Sistemas de monitoreo y control de redes cibernético en en una micro-red [39]
eléctricas [82] tiempo real de Arquitectura dual para la verificación del
2.1. Sistemas de Simulación de sistemas de potencia con Smart Grids tiempo de ejecución de un sistema Cyber-
potencia
Generadores Síncronos Virtuales [83] fisico [136]
Estudios de armónicos en sistemas industriales 2.1.4.5. Operación y Solución del problema de ruta óptima de
[84] [85] control en energía en grupos de micro-redes en DC [137]
Análisis de control de voltaje y plantas de tiempo real de Sistema de Monitoreo de una micro-red aislada
potencia virtual a través de simulaciones SIL la micro-red [138]
en el Sistema Interconectado Colombiano y 2.1.4.6. Gestión de
Simulación de una micro-red local con dos
Ecuatoriano [86] energía en el
Evaluación de esquemas adaptativos para subsistemas: doméstico y comunal [139]
hogar
protecciones de sobre-corriente [87] Co-Simulacion de barcos eléctricos [140]
Evaluación de la operación de la protección Simulación “High-Level Synthesis” del
diferencial en redes de distribución en DC [88] sistema de potencia de un barco eléctrico [141]
Sistemas de prueba para esquemas de 2.1.5. Barcos eléctricos
Modelamiento de la red de comunicaciones y
2.1.1. Protección y protecciones [89] [90] evaluación de los controles del sistema de
PMU Pruebas en protecciones de distancia en potencia de un barco eléctrico [142]
superconductores [91] Evaluación del desempeño de los sistemas de
Integración de PMU’s [92] [93] control del sistema eléctrico de aeronaves
Simulación RT de un PMU [94] [143] [144] [145]
Evaluación del desempeño de las protecciones Simulación PHIL de un generador eléctrico
2.1.6. Aeronaves
en redes HVDC con Simulación RT [95] [96] utilizado en los sistemas de potencia en
Técnicas para pruebas de sistemas HVDC de aeronaves [146]
lazo cerrado en DRTS [97] Simulación RT para pruebas de sistemas de
Sistemas HVDC-VSC Multiterminal [98] control y protección de aeronaves [147]
2.1.2. Pruebas de
Técnica para corregir el “delay” en una Metodología para desarrollar simulaciones en
sistemas HVDC
simulación-RT de redes HVDC [99] paralelo de sistemas con electrónica de
Diseño de un emulador de una línea de potencia [81]
transmisión HVDC con DRTS [100] 2.2. Electrónica de Uso FPGA para la simulación RT de
Simulación de FACTS en sistemas HVDC Potencia convertidores electrónicos de potencia. [148]
2.1.3. Pruebas de
[101] [102] [103] [104] “Multi-Solver” para la simulación de circuitos
FACTS y D-
Evaluación de técnicas de modelamiento de que contienen interruptores electrónicos de
FACTS
FACTS [105] [106] potencia. [149]
Método de inserción de latencia para IV.ANÁLISIS, DISCUSIÓN Y PERSPECTIVAS ACERCA DEL USO
simulación RT de sistemas electrónicos de alta
DE SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL
frecuencia de conmutación. [150]
Formulación y prueba métodos e interfaces Como se mencionó anteriormente, tomando como referencia
PHIL [151] la clasificación de las aplicación de Las Simulaciones en
Filtros activos de potencia para eliminación de
contenido armónico [152] Tiempo Real que realizó [8], se analizaron 136 trabajos afines
Simulación de dispositivos System-on-Chip en a la Transición Energética, donde se destacan las Aplicaciones
2.2.1. Convertidor
modular
convertidores modulares multinivel [153] Específicas De Campo, como el área con mayor número de
Modelado Fasorial Desplazado (SPM) para investigaciones y desarrollos con un 64% de las publicaciones
multinivel
simular Convertidor Modular Multinivel [154]
Control de componentes de DC para la revisadas, tal como se observa en la Fig. 7. Dentro de esta
simulación híbrida digital-física. [155] agrupación las Aplicaciones en Sistemas de Potencia, más
2.3. Sistemas de Control de SisPot con sincrofasores [156] específicamente, Análisis de Sistemas de Distribución Y
control y Simulación y control de motores eléctricos Aplicaciones de Smart Grids, es la temática con mayor interés.
automatización [157] [158] [159]
Validación de esquemas de automatización de Este resultado coincide con el interés que tienen los operadores
subestaciones [72] [160] de red por modernizar sus sistemas de distribución
3. Simulación de alta fidelidad introduciendo tecnologías de GD en sus redes [179]. Por otro
3.1. Alta fidelidad Modelamiento de motores síncronos [161] lado, dentro de las Aplicaciones funcionales, los trabajos sobre
Modelo de línea de transmisión dependiente de
pruebas a sistemas de control y protección es la temática con
la frecuencia (FD-LINE) para lograr
simulaciones en tiempo real [162] mayor número de trabajos. Esta temática presenta toda una
Modelo EMT de un parque eólico conectado a gama de oportunidades para los operadores de red y
la red [163] consultores, ya que la fidelidad de las simulaciones realizadas
Interfaz de modelos paramétricos de valor
en los DRTS sumada con las ventajas de las pruebas PHIL,
3.2. Simulación EMT medio de sistemas RLC en simulaciones RT-
EMT [164] donde se conectan al simulador relés de protección, permite
Simulación de transitorios electromagnéticos validar la actuación de diferentes dispositivos de protección
en convertidores electrónicos de potencia con ante perturbaciones de la red con un nivel de detalle superior.
alta frecuencia de conmutación. [165] Este tema, sumado con las Aplicaciones Específicas De Campo
Simulación híbrida de una micro-red para
detectar sobre-corriente y sub-tensiones [166] en Protección y PMU, suman un total del 17%, lo que perfila a
Modelado Fasorial Desplazado (SPM) como las pruebas y validaciones de sistemas de protección en redes
técnica para simular Convertidor Modular eléctricas como una temática de investigación con proyección
Multinivel [154]
hacia el futuro. De igual manera, las investigaciones afines a
Fasores dinámicos para mejorar la precisión de
3.3. Simulación los resultados de la simulación para grandes tecnologías HVDC representan un 10% del total de trabajos
fasorial analizados, donde se presentan investigaciones que usaron las
pasos de tiempo [26]
Simulación Fasorial en simulación MIL [167] DRTS tanto para diseño, modelado y pruebas de sus
Modelo de fasor dinámico aplicado en una
componentes, como para el análisis y evaluación de su
simulación de una micro-red de AC/DC [168]
Simulación híbrida para analizar una red de comportamiento.
distribución con fuentes de generación Por otra parte, los trabajos afines a Simulación de alta
alternativas [166] fidelidad y de Múltiples fenómenos físicos representan un 15%
Metodología para diseñar una simulador RT del total de trabajos analizados. Debido al nivel de detalle de
con PHIL híbrida en tiempo real [169]
3.4. Híbridas Plataforma de simulación en tiempo real de este tipo de investigaciones y a la particularidad de los casos de
bajo costo para realizar estudios de sistemas de estudio que son objeto de análisis, este tipo de investigación no
control en entorno HIL [170] presenta un número elevado de trabajos, pero en ellos, se valida
Simulación en tiempo real híbrido para el
la gran capacidad que puede llegar a presentar una DRTS.
análisis de un generador eólico [171]
4. Aplicaciones en múltiples fenómenos físicos De esta manera, la tendencia en los últimos años es el uso de
Co-simulación termoeléctrica de un barco DRTS para simulación PHIL en aplicaciones funcionales y
4.1. Termoeléctricas eléctrico utilizando dos RTDS [172] aplicaciones específicas de campo, donde se encuentran los
Simulación en tiempo discreto de eventos trabajos afines a pruebas de sistemas de control y protección,
conmutación [173]
Simulación híbrida de transitorios análisis de Smart Grids y sistemas de distribución con presencia
electromecánicos y electromagnéticos en de GD. Lo anterior permite ver a las DRTS, no solo como una
sistemas de potencia [174] herramienta de simulación robusta sino como un medio que
Plataforma de co-simulación para aplicaciones permite prever con gran detalle el posible comportamiento de
electromecánicos en vehículos [175]
4.2. Electromecánicas Simulación híbrida electromecánica- los sistemas de potencia, facilita la adopción de nuevas
electromagnética de un sistema UHVDC [176] estrategias y la entrada de nuevas tecnologías a los sistemas de
Simulación híbrida transitoria potencia a todo nivel.
electromagnética y electromecánica para
análisis de resonancia sub-sincrónica [177]
Simulación HIL para sistemas
electromecánicos de gran escala [178]
[7] S. S. Noureen, N. Shamim, V. Roy, and S. B. Bayne, “Real-Time Digital

Simulators: A Comprehensive Study on System Overview, Application,
and Importance,” Int. J. Res. Eng., vol. 4, no. 11, pp. 266–277, 2017, doi:
10.21276/ijre.2017.4.11.3.
[8] X. Guillaud, “Applications of Real-Time Simulation Technologies in
Power and Energy Systems,” IEEE Power Energy Technol. Syst. J., vol.
2, no. 3, pp. 103–115, 2015, doi: 10.1109/jpets.2015.2445296.
[9] M. D. Omar Faruque et al., “Real-Time Simulation Technologies for
Power Systems Design, Testing, and Analysis,” IEEE Power Energy
Technol. Syst. J., vol. 2, no. 2, pp. 63–73, 2015, doi:
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[10] S. K. Sahoo, A. K. Sinha, and N. K. Kishore, “Modeling and real-time
simulation of an AC microgrid with solar photovoltaic system,” 2015
Annu. IEEE India Conf., 2015, doi: 10.1109/INDICON.2015.7443619.
Fig. 7. Número de publicaciones analizadas de acuerdo a cada aplicación. [11] R. A. Guasca Baracaldo, “Modelación computacional y simulación real
V.CONCLUSIONES – time de una conexión HVDC con Hardware – In – The Loop,”
Universidad de Los Andes, 2012.
Con este trabajo, se ha realizado una revisión en idioma [12] M. Panwar, B. Lundstrom, J. Langston, S. Suryanarayanan, and S.
español sobre los Simuladores Digitales en Tiempo Real, Chakraborty, “An overview of real time hardware-in-the-loop
capabilities in digital simulation for electric microgrids,” 45th North Am.
abordando su teoría básica, la manera en que se clasifican, sus Power Symp. NAPS 2013, pp. 1–6, 2013, doi:
métodos de solución y los criterios para definir los tiempos de 10.1109/NAPS.2013.6666861.
simulación a utilizar de acuerdo al fenómeno que se desea [13] M. Dargahi, A. Ghosh, G. Ledwich, and F. Zare, “Studies in power
hardware in the loop (PHIL) simulation using real-time digital simulator
analizar, con la finalidad de ampliar la difusión y generar mayor (RTDS),” PEDES 2012 - IEEE Int. Conf. Power Electron. Drives Energy
interés acerca del tema entre la comunidad hispanohablante. Syst., 2012, doi: 10.1109/PEDES.2012.6484500.
En adición, se propone una clasificación de las aplicaciones [14] S. Mojlish, N. Erdogan, D. Levine, and A. Davoudi, “Review of
Hardware Platforms for Real-Time Simulation of Electric Machines,”
de los Simuladores Digitales en Tiempo Real acompañada de la IEEE Trans. Transp. Electrif., vol. 3, no. 1, pp. 130–146, 2017, doi:
descripción de los trabajos más sobresalientes en cada uno de 10.1109/TTE.2017.2656141.
los tópicos afines a la transición energética que están viviendo [15] S. Goyal, G. Ledwich, and A. Ghosh, “Power network in loop: A
paradigm for real-time simulation and hardware testing,” IEEE Trans.
los sistemas de potencia en la actualidad. Power Deliv., vol. 25, no. 2, pp. 1083–1092, 2010, doi:
Este documento presenta un amplio abanico de trabajos 10.1109/TPWRD.2009.2034815.
vinculados al empleo de DRTS como una herramienta que [16] E. García-Martínez, J. F. Sanz, J. Muñoz-Cruzado, and J. M. Perié, “A
review of PHIL testing for smart grids—selection guide, classification
facilita la adopción de novedosas estrategias y la entrada de and online database analysis,” Electron., vol. 9, no. 3, pp. 1–23, 2020,
nuevas tecnologías a los sistemas de potencia a todo nivel, doi: 10.3390/electronics9030382.
siendo la principal contribución de este trabajo un análisis que [17] H. W. Dommel, “Digital Computer Solution of Electromagnetic
proporciona a los investigadores una síntesis sobre el estado Transients in Single- and Multiphase Networks,” IEEE Trans. Power
Appar. Syst., vol. PAS-88, no. 4, pp. 388–399, 1969, doi:
actual en las investigaciones afines a la transición energética, 10.1109/TPAS.1969.292459.
desarrolladas en Simuladores Digitales en Tiempo Real. [18] H. W. Dommel, “Nonlinear and time-varying elements in digital
Al ser una tecnología adaptada recientemente en simulation of electromagnetic transients,” IEEE Trans. Power Appar.
Syst., vol. PAS-90, no. 6, pp. 2561–2567, 1971, doi:
Latinoamérica, el uso de estos dispositivos se convierte en un 10.1109/TPAS.1971.292905.
tema de interés por parte de los operadores de red e [19] Dommel. Hermann W and Sato N, “Fast Transient Stability Solutions,”
investigadores ya que el detalle que se puede lograr en sus IEEE Trans. Power Appar. Syst., vol. PAS-91, no. 4, pp. 1643–1650,
1972.
modelos, acompañado de la gran capacidad de su hardware, [20] H. W. Dommel and W. S. Meyer, “Computation of Electromagnetic
velocidad de simulación y la opción de conexión e interacción Transients,” Proc. IEEE, vol. 62, no. 7, pp. 983–993, 1974, doi:
con equipos reales, permiten obtener estudios con un nivel 10.1109/PROC.1974.9550.
[21] V. Brandwajn, W. S. Meyer, and H. W. Dommel, “Synchronous
superior de fidelidad, dando herramientas a los usuarios para Machine Initialization for Unbalanced Network Conditions Within an
identificar y corregir posibles problemas de esquemas y diseño Electromagnetic Transients Program.,” IEEE Conf. Proc. Power Ind.
que hayan sido propuestos. Comput. Appl. Conf. 1979. PICA-79, pp. 38–41, 1979, doi:
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AUTORES
Luis Felipe Gaitán Cubides received his

B.Sc. from the Universidad Distrital
Francisco Jose de Caldas. He is currently
working toward the M.Eng. degree in
Transmission and Distribution Systems
from Universidad Pontificia Bolivariana.
Currently he is a Design Engineer in the
protection studies area at Ingenieria
Especializada IEB S.A. His major research
is the protection of electrical power systems with distributed
generators of Non-Conventional Sources of Renewable Energy.
Jorge Wilson Gonzalez Sanchez.

Electrical Eng., MSc. and PhD. Professor at
Universidad Pontificia Bolivariana,
Colombia in Electrical Eng. Faculty.
Formerly, he was with HMV Consulting,
Siemens PTD Germany and for Utility
EPM. He was a researcher at Univ.
Kempten and Power Systems Inst.
Erlangen Univ. Germany. His research activities include
protective relaying, optimization, power systems, HVDC,
FACTS, substations and renewable energies.
Luis Alfonso Giraldo Velazquez

Electrical Eng., MEconSc at Universidad
Nacional de Colombia. IEEE Senior
Member. Technical advisor at Ingenieria
Especializada IEB S.A. Formerly, he was
with Baltimore Gas & Electric. His
professional experience focuses on
studies and tests on electrical protective
equipment. He is currently developing studies and tests with
Real Time Digital Simulations - RTDS.

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IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 20, NO.

10, OCTOBER 2022 2295

A Review of Real Time Digital Simulations: Theory

E l cambio de paradigma de los sistemas de potencia impone acerca a la realidad [8].

modificado de integración de Euler y los métodos de matriz

Se observa una gran cantidad de trabajos encontrados en la

Análisis del comportamiento de Smart Grids

[7] S. S. Noureen, N. Shamim, V. Roy, and S. B. Bayne, “Real-Time Digital

http://revista.cidet.org.co/. de Reluctancia conmutada,” Universidad de Los Andes, 2015.

hybrid real-time simulation technology based on RTDS used in

Luis Felipe Gaitán Cubides received his

Jorge Wilson Gonzalez Sanchez.

Luis Alfonso Giraldo Velazquez

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